Устройство для балансировки опоры вращения дискового носителя информации Советский патент 1993 года по МПК G01M1/38 

Изобретение предназначено для обеспечения ее балансировки в процессе вакуумной фиксации на ней объекта воспроизведения (записи).

Применяют следующую технологию вакуумной фиксации и центрирования диска на подвижном элементе опоры вращения. В процессе раскрутки обеспечивают подачу газовой смазки между соприкасающейся поверхностью основания диска и торцевой поверхностью опоры с одновременным радиальным поддувом диска. Это центрирует диск всплывший на газовой смазке в дина- мическом состоянии на поверхности опоры. Далее перепускные каналы истечения газовой смазки истекающей в зазор между диском и опорой переключают на магистраль вакуума в том же динамическом состоянии, а каналы радиального поддува продолжают оставаться действующими еще некоторый период, перекрывающий момент вакуумной фиксации диска на поверхности опоры. . Ввиду некоторой клиновидности диска, а также по ряду других причин от возмущающих факторов опора вращения, будучи идеально сбалансированной в холостом состоянии, при фиксации диска приобретает некоторую дебалансную массу, создающую опрокидывающий момент, который смещает ось вращения подвижного элемента, создавая прецессию.

Увеличение позиционной точности оси вращения обеспечивает более надежную работу системы автофокусировки луча технологического лазера, дает возможность уплотнить запись и имеет ряд других преимуществ улучшающих качественные показатели оптической записи (воспроизведения).

Известно устройство для балансировки роторов гироскопов, содержащее ротор, цапфу, сочленяющуюся с валом через упругий элемент, использует метод самоцентрирования оси инерции ротора с осью вращения в состоянии закритической частоты вращения ротора. Метод применен тот же самый, что и в предложенном устройстве, где диск не только самоцентрируется, но и получает центрирующее действие радиального поддува. Использование аналога не обеспечивает необходимой точности положения оси вращения сочлененного с ротором диска.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для центрировки линз (авт. ев. № 1196715, кл. 11/02), принятое за прототип, содержащее источник излучения, коллиматор с тестобъектом, держатель оправы, микрообъектив, матрицу фотоприемников, связанную с блоком управления,

включающего фотопреобразователь, индикатор развертки, усилитель, генератор д- импульсов, синхронизатор, пороговый элемент и блок индикации, а также схему

определения количества импульсов, цифро- аналоговые преобразователи (АЦП), распределители и триггер, при этом фотоприемник матрицы соединен через последовательно включенные фотопреобразователь, усилитель и пороговый элемент с блоком индикации, а каждый АЦП выполнен в виде устройства сравнения, подключенного к генератору развертки.

Приспособить это устройство, имеющее

наибольшее число входных элементов, для обеспечения расчетных подвижек компенсационных масс на роторе возможно лишь с существенной функциональной доработкой.

Цель изобретения - повышение точности балансировки аэростатической опоры вращения с носителем информации и сокращение времени балансировки.

На фиг. 1 изображено устройство для

балансировки аэростатической опоры вращения дискового носителя информации и приведена структурная схема блока управления; на фиг. 2 - кинематическая схема и диафрагмы распределения сил действующйх на объект балансировки; на фиг. 3 - структурная схема формирователя экстремума; на фиг. 4 - структурная схема схемы синхронизации; на фиг. 5 - диаграммы, где А - значения амплитуд импульсов сигнала

рассогласования; Б - величины AR-подви- жек соответствующих амплитудам этих сигналов; m0, mi, плз центры тяжести масс соответственно диска, верхней части ротора, нижней части ротора (фиг. 2); пл2, ггм массы компенсационных элементов, перемещаемых соответственно на ARi и AR2; Ьз и пз - плечи от Х-Х.

На фиг. 2 проиллюстрирован на эквивалентных схемах общий случай балансировки

диска фиксируемого вакуумом на поверхности ротора аэростатической опоры. Рассмотрим поэтапно моменты динамического состояния ротора. На фиг, 2 изображен момент фиксации диска со смещенным относительно оси вращения центром тяжести т0.

Центробежные силы симметричных масс ггм и 2mi mi компенсируют друг друга, где гтп - масса ротора, сосредоточенная в точке О,

Силы F уравновешены, a Fmo создает опрокидывающий момент М (диаграмма Б). По правилам теоретической механики при переносе силы Fmo с уровня Х0-Х0 на Х-Х необходимо вводить момент М.

Этот момент тангенциально смещает матрицу фотоприемников 10 вправо по часовой стрелке по направленно действия момента, а пятно луча Фсместится на (-AXi).

Используя принятое в теоретической механике правило сложения моментов и проекций сил:

S mi 0(1); 2Ri 0(2)

Mi-MP 0; (RA + R5 + F)-(F + Fmo) 0,

где Мр- реактивный момент (диафрагма В),

Mp Mi; RA + RB Fmo, делаем вывод, что смещение (-AXi) является составляющей тангенциальной компоненты и от действия сил реакции RA и R&.

Подвижка компенсационной массы на первом уровне hi на ARi (диаграмма В) дает основание записать по (1):

(rri2 - внесенный дебаланс компенсации от подвижки на первом уровне).

Сумма проекции сил по (2):

F + RA + RB - (F + Fmo+ Fm2) 0 (диаграмма Г), откуда RA + RB Fmo-t- Fm2 (диаграмма Д).

Делаем вывод, что матрица фотоприемников смещается плоскопараллельно вправо, а пятно на ней смещается на (-ДХ2).

При этом (- ДХ2) (-А Xi), так как тангенциальная составляющая равна нулю (моменты Mi и М компенсируют друг друга).

Делаем вывод, что для полной компенсации необходимо вводить вторую компенсационную массу на другом уровне.

Введение второй компенсационной массы (диаграмма Е) корректно при ее подвижке на A R2.

Повторяя те же операции, рассмотренные ранее, имеем:

Mi-M2 0

2R (F + Fm4)-(F+ Fmo+Fmi) 0 откуда: Fm4 Ртр+ Fmt(3)

При обеспечении (3) RA RB 0.

Практически расчет компенсационных масс их предельных смещений и выбор уровней расположения необходимо проводить конкретно для данного типа опоры вращения, руководствуясь представленной методикой.

Из методики следует, что вторая компенсационная масса должна располагаться со смещением в 180 эл.град. по отношению к первой компенсационной массе. В. зависимости от конкретных требований точности позиции оси вращения (и точности балансировки) может оказаться достаточным использование только одного уровня компенсации.

Кроме того, уровень второй компенсационной массы может существенно меняться, если учитывать погрешность балансировки опоры без диска или иметь

5 данные замеров балансировки холостой опоры.

Устройство содержит (фиг. 1) подвижный 1 и неподвижный 2 элементы скольжения, взаимодействующие между собой на

0 газовой смазке, причем подвижный элемент (ротор в комплексе) имеет переменную массу в виде дебалансного диска 3, жестко фиксируемого на торцевой поверхности 4 в периоде его вакуумной фиксации, перепуск5 ные каналы 5 в подвижном и неподвижном элементах и переключающуюся магистраль 6 давление-вакуум в неподвижном элементе, датчик 7 позиции оси вращения, включающий источник 8 излучения, микрообъектив

0 9 в составе неподвижного элемента и матрицу 10 чувствительных элементов фотопреобразования, датчики начального 1.1 и текущего 12 фазовых состояний подвижного элемента по угловой координате. Компенса5 ционные массы 13 с приводами 14 равномерно распределены на разных уровнях от оси главного момента инерции подвижного элемента (без диска 3), а источники питания индукционный 15 и постоянных запитываю0 щих напряжений 16 схемы управления 17 вмонтированы в подвижный и неподвижный элементы.

Схема управления 17 включает (фиг. 1), два формирователя 19 экстремума, входами

5 подключенныеусилителям 20, а выходами - к входам стробирования мультиплексоров 21 (фиг. 4), счетчики 22 тактирования, входами тактирования подключенные через усилители-формирователи 23 к фотодиодным

0 элементам оптопар 24 датчика Т2 текущей фазы положения ротора, а входами сброса - через усилитель-формирователь 25 к фотодиодному элементу оптопары 26 датчика 11 начальной фазы положения ротора, блоки

5 27 тиристорных ключей 28, 29 коммутации . исполнительных приводов 14, блок 30 автономных выпрямителей с нормированными напряжениями питания и блок пороговых элементов 31 с нормированными различны0 ми порогами срабатываний.

Элементы 21-29 (фиг. 4) формируют схемы синхронизации 32, 33 первой и второй уровневой балансировки посредством компенсационных масс распределенных на

5 двух уровнях подвижного элемента. Датчики 11, 12 начальной и текущей фаз подвижного элемента подключены к схемам синхронизации.

Каждый формирователь 19 экстремума

(фиг, 3) содержит блок 34 пороговых элемен- t

тов, блоки 35,36 D-триггеров, блок 37 инверторов и логический элемент п И-ИЛИ 38.

Отклонения оси вращения подвижного элемента 1 без диска 3 (фиг. 1) в состоянии его аэростатического подвеса приняты условно нулевыми и они возрастают при вакуумной фиксации диска. Магистраль 6 подвода газовой смазки в неподвижном элементе 2 обеспечивает поступление газовой смазки через перепускные каналы 5 ротора и это в динамическом состоянии подвижного элемента 1 на закритической частоте вращения создает условия самоцентрирования диска 3. В периоде переключения магистрали 6 на вакуум осуществляется вакуумная фиксация диска на основании 4 подвижного элемента. Переключение магистрали 6 на вакуум существенно не сказывается на работе аэростатической пары вращения, так как зазор между поверхностями скольжения заполненной газовой смазкой порядка 10 микрометров, а средний диаметр кольцевой щели истечения газовой смазки по плоской поверхности подшипника принимается малым. Такое конструктивное выполнение дает возможность производить вакуумную фиксацию диска 3 за счет отсоса газовой смазки в процессе фиксации при незначительных потерях вакуума. Малый диаметр щели истечения определяет незначительное влияние флюктуации вакуума на осевые смещения подвижного элемента.

Датчик 7 позиции оси вращения работает по принципу смещения пятна фокуса на четырехплощадочной матрице 10 чувствительных элементов (фиг. 4). Формированием сигнала экстремума определяется момент подвижки определенной компенсационной массы 13 вначале на первом уровне плоскости распределения компенсационных масс (фиг, 1), а затем через 180 эл.градусов поворота ротора эта же операция осуществляется для выбора соответствующей массы из распределения компенсационных масс из распределения компенсационных масс 13 второго уровня.

В сбалансированном состоянии пятно фокуса микрообъектива 9 проецируется в центре матрицы 10, секторы которой I...IV занимают положение соответствующее положению элементов датчиков 11, 12 (фиг, 4). Датчики начальной 11 и текущей 12 фаз состоят из оптопар, позволяющих осуществлять формирование сигнала угловой координаты без возмущающего воздействия на подвижный элемент. Светодиоды оптопар равномерно распределены по окружности на неподвижном элементе 2.

Источник индукционного питания 15 схемы управления 17, выполненный на высокочастотном трансформаторе с вторичной обмоткой; находящейся в дина. мическом состоянии, тоже не оказывает существенного возмущающего воздействия. Операция перемещения двух компенсационных масс 13 на двух уровнях с момента вакуумной фиксации диска ком0 пенсирует привнесенный диском 3 деба- ланс, а ранее до момента его фиксации и подвижек компенсационных масс ротор сбалансирован при условно нулевых отклонениях оси вращения от номинальной пози5 ции.

Рассмотрим работу схемы, обеспечивающей поиск соответствующей компенсационной массы в фазе угловой позиции ротора при экстремальном отклонении оси враще0 ния с соответствующей подвижкой этой массы вначале на первом уровне, а затем с повторением того же при повороте ротора на полоборота и с подвижкой второй компенсационной массы на втором уровне рав5 номерного распределения масс.

Работа формирователей экстремума 19

(фиг. 1, 3) происходит следующим образом.

Сигнал АО фотопреобразования при

возрастании обеспечивает последователь0 ное срабатывание пороговых элементов в блоке 34. При срабатывании первого элемента срабатывает первый D-триггер блока 35 и подготавливается к срабатыванию по D-входу второй. Сработавший первый D5 триггер блока 35 подготавливает к срабатыванию первый D-триггер блока 36, а логическая 1 на первом входе первого элемента совпадения в логическом элементе 38 создает условия последующего его срабаты0 .вания. В зависимости от амплитуды сигнала АО может быть подготовлено п элементов совпадения в логическом элементе 38.

Пусть сигнал АО убывает. Это возвращает последний из сработавших пороговых

5 элементов блока 34 в исходное состояние, а на соответствующем инверторе блока 37 формируется логической перепад (0 - 1), что вызывает срабатывание ранее подготовленного по D-входу триггера блока 36. На

0 соответствующем i-элементе совпадения лог, элемента 38 обеспечивается совпадение, вызывающее срабатывание элемента 38, т.е. формирование импульса экстремума. Этим же импульсом все D-триггеры воз5 вращаются в исходное состояние по их R-входам...

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При фиксации диска 3 (фиг. 1) вакуумом на поверхности 4 подвижного элемента возникает дебалансное состояние ротора в динамическом состоянии/Оптическая ось фотодиода оптопары 26 (фиг. 4) в области совпадения с оптической осью светодиода оптопары на подвижном элементе 2 формирует стартовый сигнал, который на усилителе-ограничителе 25 формируется в импульс логического уровня, которым обнуляется счетчик 22. В дискретных состояниях текущей фазы р ротора датчиком 12 и усилителем-ограничителем 23 аналогичным образом формируются импульсы тактирования счетчика 22. Обеспечивается квази-ком- мутация сигнальных выходных шин мультиплекса 21, которая реализуется в сигнал на выходе в периоде его стробирования по W-входу сигналам экстремума формируемым элементом 19, причем r-момент формирования не зависит от амплитуды сигнала фотопреобразования, формируемого на секторе I матрицы 10 от воздействия сфокусированного пятна луча датчика 7 (фиг. 1) позиции оси вращения.

В результате в т-момент (фиг. 4, 5) коммутируется выходная шина мультиплексора логическим уровнем 1 и подключенный к ней управляющий вход тиристорного ключа 29, а соответствующий тиристорный элемент 28 коммутируется в зависимости от срабатывания К-элемента в блоке 31 пороговых элементов с нормирование различ- .ным пороговым уровнем переключения. Поскольку каждый из тиристорных ключей 28 подключен к автономному источнику питания в блоке 30 выпрямителей, то 1-испол- нительный привод 14 оказавшийся конкретно выбранным в fn фазном положении ротора коммутируется амплитудным значением сигнала отработки и осуществляется пропорциональная отработка рассогласования в соответствий с диаграммой фиг, 5, где Un - амплитудное значение питания, а - AR - отработка подвижкой выбранной компенсационной массы 13. При этом тиристорные элементы сохраняют запомненное состояние коммутации,, что обеспечивается расчетом параметров тиристорных ключей 28, 29 с обеспечением токов, превышающих значения то ков удержания. Осуществляется амплитудно-пропорциональная компенсация на первом уровне распределения компенсационных масс AR KU,

где Л R - величина отработки (на фиг. 2 A R ARi;

Ui - напряжение коммутации исполнительного привода (фиг. 5).

Балансировка по второму уровню (фиг. 2), необходимость которой для высокого

класса точностей при допустимых отклонениях оси вращения в диапазоне Лс5 - 0,03 ... 0,05 мкм, обоснована поданным рассмотрения фиг. 2, осуществляется в принципе

аналогично рассмотренному на фиг. 4 с той лишь разницей, что фазовое состояние ротора должно быть: (р + 180°, а сигнал фотопреобразования формируется

сектором II чувствительных элементов матрицы 10 (фиг. 1).

Достигаемое повышение точности позиции вращения обеспечивается при сокращении времени балансировки до секундного

диапазона в сравнении трудоемкой ручной балансировкой на специальном стенде при использовании вычислительной техники и поэтапной подгонкой компенсационных масс.

Ф о р м у л а и з о б р ет е н и я Устройство для балансировки опоры вращения дискового носителя информации, содержащее подвижный и неподвижный

элементы, датчик отклонений оси вращения, включающий в себя источник излучения, оптически связанную с ним матрицу фотоприемников, датчики начальной и текущей фаз подвижного элемента и двухканальную схему управления, включающую в себя в каждом канале последовательно соединенные фотопреобразователи, усилители, пороговые элементы, схемы синхронизации, мультиплексоры, блоки памяти, логическое

элементы совпадений и исполнительные приводы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени балансировки, оно снабжено компенсационными массами, равномерно размещенными по окружности подвижного элемента на двух уровнях с возможностью их радиального перемещения, исполнительными приводами, блоком выпрямителей, двумя формирователями экстремума, подключенными к выходам соответствующих усилителей, а выходами соединенными с входами схем синхронизации, подключенных первыми групповыми входами к выходам датчиков начальной и текущей фаз

подвижного элемента, вторыми групповыми входами - к выходам пороговых элементов, третьими групповыми входами - к выходам блока выпрямителей, а выходы схем синхронизации соединены с исполнительными

приводами, секторы матрицы фотопреобра- зоватёлей датчика отклонений оси вращения смещены на 180° друг относительно друга соответственно расположению элементов матрицы фотоприемников датчика

текущей фазы подвижного элемента, а каждая схема синхронизации выполнена в виде счетчика, соединенного с ним управляющими входами мультиплексора, источник нормированного уровня и двумя блоками последовательно соединенных блоков тиристорных ключей, входы второго блока тири- сторных ключей представляют собой третьи групповые входы схемы синхронизации, выходы второго блока тиристорных ключей,

вторые групповые входы схемы синхронизации, стробирующий вход мультиплексора, R- и С-входы счетчика представляют собой первый, второй и третий входы в составе

первого группового входа схемы синхронизации, а сигнальные шины мультиплексора соединены соответственно с источником нормированного уровня и с управляющими входами первого блока тиристорных ключей.

Изобретение относится к балансировочной технике. Цель изобретения - повышение точности с возможностью автоматизации. Устройство содержит подвижный и неподвижный элементы 1 и 2, источники 8 излучения, формирующую оптику 9, матрицу 10 фотоприемников, схему 17 управления и датчики 7, 11, 12 оси вращения и углового отсчета, которые обеспечивают функционирование схемы 17 управления так, что исполнительные приводы 14, размещенные на разных уровнях в теле подвижного элемента 1. позволяют добиться последовательной балансировки на двух уровнях, 5 ил.

JL

йл-eic . М.

/г /Ъ, .- ---- -«Рв- -

Л &fll f

ч

Фиг. 2